宋健凯
山东建筑大学 山东济南 250101
摘要：随着经济实力的提高和科技水平的进步，大跨度空间结构得到迅猛的发展，结构跨度不断刷新并且不断涌现新的结构形式。其中新的结构体系的提出，会引起结构内力性质的改变大大减少结构内力，从而获得更优化的建筑空间实现更新的功能。拱结构合理应用于大跨度建筑与其他结构形式组成组合结构是一种可行的结构体系，通过对机理可行性的分析和对已有建筑实践的分析，证明拱结构应用到大跨度建筑中是一种有效的结构创新。
前言：国内大跨度空间结构由于经济实力的提高和社会发展的需求在近十年也发展迅速，建成了许多大型体育建筑，为承办亚运会、全运会做出了很大贡献，但是现阶段虽然建成很多成功的大跨度结构，但是相对与西方国家和日本，我国仍处在相对落后的阶段。
一、研究构思
（1）大跨度结构有建筑空间大，无中间支撑等优势，常用于大型体育馆，机场等大型公共建筑的屋盖，但究其本质仍旧是实现一定跨度的覆盖，即建筑物实现横向跨越将空间覆盖形成相对密闭可供人类活动的区域，因此其他大跨度水平结构的技术和结构形式对大跨度屋盖也有相当的参考价值。比如桥梁，其跨度远超体育馆，机场等建筑而且形式多样，悬索桥和拱桥都能实现较长距离的跨越，对其进行分析：悬索桥通过悬索将桥面荷载传递给高耸的塔柱，将桥面受弯剪转化为拉索受拉和塔柱受压，传力路径与结构形状和布置一致；拱桥将桥面布置在拱结构上将桥面的荷载传递到拱上，荷载转化成拱内的压力和拱脚的推力，在多拱结构里拱脚的推力还可以相互抵消。从受力上看二者都可以应用到大跨度屋盖结构中，但从建筑造型和提供足够的使用空间来看，悬索桥需有高度较高的塔柱若设置在屋盖两侧则需要两个塔柱，过于压抑和生硬，在桥梁中实用的平桥面显然不能满足大跨度屋盖的需要，而塔柱式悬索桥和其他形式的屋面，比如弧形、抛物线形，结合则会带来稳定性等其他问题。拱桥中的拱结构则可以有效释放建筑内部空间，随着科技技术的推进，出现了多种新的拱形象，能与其他的结构进行很好的结合，从而满足不同建筑造型的要求。因此，将拱结构应用于大跨度的空间结构中从受力和造型方面是可行的。
（2）在大跨度屋盖的理论和实践发展过程中，很多结构工程师和科研人员致力于增大结构的跨度，将单个屋盖做大将其支撑于周围墙体，这种情况下屋盖整体没有中间支撑和周边的墙体亦没有其他的联系只能通过屋盖结构自身提供保持形状稳定，承受荷载所需的刚度，必然会导致屋盖自重的增加，而屋盖自重是大跨度结构主要的荷载，虽然有不断出现的新形结构形式如索穹顶等，但仍不能完全避免自重的问题。施工难度和复杂程度不可避免的会随着单个屋盖的增大而增大，随之带来的质量问题需要更多的措施规避。对此施加边墙之外的支撑结构（作为主要或辅助支撑）和使用柔性屋盖是两种可行的方法。
设置强大的拱或刚架作为中间支撑为结构提供足够的刚度，通过悬索将轻质屋盖与拱或刚架联系起来形成复合结构。这种情况下，轻质屋盖不必承受较大的荷载，其自重由中间支撑和边墙承担，可以进行更多样的造型进而带来最佳的内部空间和视觉效果。
值得一提的是，采用轻质屋盖除了提供更多造型之外还能与新的功能很好结合，比如现在国内已经开始出现的开合式屋盖。屋面的重量降低，实现开合所需的动力和屋盖移动带来的动力效应就越小，降低了实现开合式屋盖的难度。
柔性结构在大跨度结构中有自重，易造型等优点，主要是索网结构、悬索结构和张拉式膜结构等张力结构。张力结构的索、膜在自然状态下没有固定形状没有刚度，必须对其施加预应力才能使其具有形状，成为具有一定刚度和形状稳定性的结构。拱结构可以和与悬索组成“拱索结构”，将不同的索网结合到同一建筑中实现不同的建筑形状。索-膜结构同样使用拱作为边缘构件。拱结构和张力结构的结合在国内外已经有了很多成功的工程实践。
由以上分析可知，拱结构应用到大跨度空间结构有理论上的可行性。
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二、主要研究内容
（1）巨拱结合轻型屋面：
鄂尔多斯东胜体育中心体育馆总建筑面积达10万平方米，有35000个固定看台和5000个活动看台。采用了巨拱+开合屋盖+空间桁架体系。主体育场屋盖分为固定部分和开合部分。固定屋盖投影为椭圆形，短轴为220m长轴为268m，固定屋盖和活动网壳顶部标高为54.742m，巨拱高度129m，跨度330m，是目前国内最大的开合体育建筑。东胜体育中心高达129m的巨型钢拱拉撑结构是开合式屋盖的有机组成部分，通过拉索为屋盖提供了支撑。
通过鄂尔多斯东胜体育中心的拱结构和索、空间桁架结合，说明了拱结构与轻型屋面的结合是可以实现的，并且由于降低了屋面的重量可以进行开合屋盖的设计。在这个工程实践当中，巨拱有着造型上的需要，制作的高度很高，并且有6度左右的倾斜，在其他工程应用时可以选择合适的拱高并且使拱垂直地面。
（2）桁架拱作为网壳结构的受力骨架：
2001年建成的日本大分体育场跨度长达270m，近20层楼高，其结构采用七座拱形的桁架形成屋顶的核心，由一个圈钢把拱形桁架固定在一起，最后巨大的拱形桁架纵贯整座体育馆固定所有构件，形成一个扎实的钢拱骨架，强度足以支撑12000吨的壳体。而且值得注意的是为了让整座建筑更加轻盈，工程师采用了空心桁架。屋面的壳体不做承重可以减轻重量，这也方便了大分体育馆采用开合屋盖。
（3）拱与张拉体系组合应用：
四川省体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支承的一对钢筋混凝土拱组合起来的，在增加索拱面的断面面积的同时整个拱结构体系的稳定性得到了提高。
从国内外工程实践来看拱和张拉体系的组合起到了预期作用，能够形成更大更自由的结构空间，拱作为骨架支撑，为索和膜的张拉提供受力点，拱的形态布置也是建筑形态的创建。
三、存在的问题和不足
首先从认识上，关于拱结构大跨度结构中的应用尚且没有系统的分析理论针对对各部分的受力情况进行分析，自能随着工程实践的进行针对个例进行服务于施工的计算，没有成熟和完整的体系来指导设计和施工。
在施工方面，受国内施工管理和施工水平的限制，施工的整体施工方案和具体施工流程规划能力和国际先进水平还有较大的差距，比如巨拱需要分段完成，安装过程中由于结构自重大很多因素都会导致结构的形变，控制精度和交点处强度都是很大的挑战，南京奥体中国红的巨拱安装就没有控制好误差，巨拱结构最后闭合不上，花费了巨大的人力物力。
拱结构虽然拱内只受轴力，与之相对应的拱脚处有很大的推力而且跨度越大推力越大，对拱脚处推力的研究还不充分，确定的是拱脚需要强大的混凝土基础，一些建筑设计里拱结构不直接落地，推力的处理也值得思考。
结语：拱结构和其他结构形式组合形成复合结构在大跨度建筑中有理想的表现，是一种有创造性的结构体系，拱结构自身的优越性以及其在和其他结构形式结合时所表现出来的适应性和灵活性，能很好地满足大跨度结构受力的要求和建筑造型的需要。在大跨度建筑的发展中发挥着巨大作用，采用拱结构形成的复合结构的大跨度建筑综合性能优越。
参考文献：
[1]大跨度结构的发展概况[Z]
[2]浅谈鄂尔多斯东胜体育中心体育场设计施工特点[Z]
论文作者:宋健凯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/27
标签：结构论文; 大跨度论文; 建筑论文; 桁架论文; 荷载论文; 东胜论文; 跨度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;